SPC의 Composite Section기능을 이용한 임의형상의 단면상수 계산

SPC의 Composite Section 기능을SPC의 Composite Section 기능을이용한 임의형상의 단면상수 계산

Revision No. : v2.0Revision Date : 2010.10.25Program Version : Civil2009 V.2.0.0 R3

00. 목차

01. 개요 3

02. 작업환경설정 4

1. SPC의 실행

2. 단위계 설정

3. AutoCAD DXF File Import

03. 단면정의 6

1. 단면두께 정의

2. Material 정의

3. Generate Composite Sectionp

4. Part 별 단면 Type 및 단면이름 정의

04. 단면특성치 계산 및 결과물 출력 10

1. Composite Section 단면특성치 계산

2. 단면특성치 확인단면특성치 확인

3. Composite Section의 파일 Export

4. midas Civil을 이용한 Composite Section 불러오기

5. Composite Section 단면특성치 비교

05. SPC Composite Section 기능의 활용 15

1. Load Cases for Pre-Composite Sectionp

2. Composite Section for Construction Stage

Technical Note | SPC의 Composite Section 기능을 이용한 임의형상의 단면상수 계산 2

01. 개요

SPC (Sectional Property Calculator)를 이용하여 midas Civil에서 제공하는 단면 이외에 임의형상단면의 단면상수

를 계산하고, 계산한 단면정보와 형상을 midas Civil로 불러들여 단면데이터를 활용하는 방법을 알아보겠습니다.

본 자료에서는 Material 정보가 서로 다른 다수의 부분 형상을 가진 Section에 대해 Composite Section을 구성하

는 기능을 소개하고자 합니다. 강박스 거더와 바닥판의 합성단면 예제를 통해 SPC의 Composite Section 기능을

알아보도록 하겠습니다.

| 대상단면 |


02. 작업환경설정

1. SPC의 실행

SPC 프로그램을 실행합니다. SPC의 실행은 midas Civil의 설치 폴더에 있는 SPC 실행파일, 혹은 midas Civil 프로

그램을 통하여 실행할 수 있습니다. 이 예제에서는 midas Civil을 통하여 SPC를 실행하겠습니다.

Main Menu에서 Tools > Sectional Property Calculator…

1. SPC의 실행

2. 단위계 설정

SPC를 실행하면 단위계 설정 대화상자가 나타납니다. 프로그램 실행 시에 설정한 단위계는 SPC의 Setting 기능을

통해 변경할 수 있습니다. 이 때 단위계 설정은 AutoCAD에서 적용한 단위계로 설정해야 하며, 만약 단위계의 설

정을 잘못하면 형상이 제대로 Import 되지 않을 수 있습니다.

본 예제에서는 ‘kN’ ‘ ’ 의 단위를 사용하겠습니다

Main Menu에서 Tools > Setting

1. Setting 대화상자에서 ‘General’ 탭 확인

2. Unit System 의 Force 선택목록에서 ‘kN’, Length 선택목록에서 ‘m’ 선택

3. 버튼 클릭

본 예제에서는 ‘kN’, ‘m’ 의 단위를 사용하겠습니다.


| 단위계 설정 |

02. 작업환경설정


단면 형상 모델링 시 간단한 모델은 SPC로 직접 모델링해도 무방하지만, 실무 사용자들은 CAD가 더 익숙하므로

복잡한 단면에 대해서는 DXF로 Import하는 것이 작업성 측면에서 유리합니다. AutoCAD DXF Import시 유의사항

으로는 SPC Line Type으로 작업할 단면은 Line으로 수정해야 하는데 이 경우에는 합성단면이기 때문에 각 Part별

로 단면의 경계부분을 공유해야 합니다. 각 Part별로 단면의 경계부분이 공유되지 않으면 일체거동을 하지 못하게

되므로 합성단면특성치가 올바르게 계산되지 않습니다. 또한 AutoCAD 에서 작성한 DXF파일과 SPC상의 단위계

를 일치시켜 주어야 올바르게 단면형상을 불러올 수 있습니다 DXF 파일의 Import시 Check the intersection


를 일치시켜 주어야 올바르게 단면형상을 불러올 수 있습니다. DXF 파일의 Import시 Check the intersection

and/or duplication of the imported DXF model data? 라는 물음에 ‘예’ 버튼을 클릭하면 모델에서 교차점을 노란

색으로 표시합니다.

Main Menu에서 File > Import > AutoCAD DXF

1. DXF File Name 입력란 우측의 버튼 클릭

2 A toCAD 를 이용하여 만든 ‘Composite d f’ 파일 선택2. AutoCAD 를 이용하여 만든 ‘Composite.dxf’ 파일 선택

3. 버튼 클릭

4. 버튼 클릭

5. Check the intersection and/or duplication of the imported DXF model data? 에 버튼 클릭


| DXF파일 Import |

03. 단면정의


Line Type으로 만들게 될 강박스거더와 세로보의 단면 두께를 정의합니다. Line Type은 두께를 정의해야 단면특

성을 계산할 수 있습니다.


Main Menu에서 Model > Curve > Change Width

1. Change Width 의 Width 항목에 Check on

2 Width 입력란에 ‘0 02’ 입력2. Width 입력란에 0.02 입력

3. Select 클릭 후, ‘양쪽 강박스 거더 및 세로보’ 선택

4. 버튼 클릭

| 단면 두께 정의 |


03. 단면정의

2. Material 정의

Composite Section에 사용될 Material의 제원을 입력합니다.

2. Material 정의

Name 탄성계수 Poisson’s Ratio Density

강재(SM490) 210,000,000 kN/m2 0.3 78.5 kN/m3

콘크리트(C24) 23,074,000 kN/m2 0.167 25 kN/m3

Main Menu에서 Model > Section > Assign Domain Material

1. Material 입력란 우측의 버튼 클릭

2. 버튼 클릭

3. ID 입력란에 ‘1’ 확인

4. Name 입력란에 ‘SM490’ 입력

5. Property 의 Modulus of Elasticity 입력란에 ‘210000000’ 입력

6. Poisson’s Ratio 입력란에 ‘0.3’ 입력

7. Density 입력란에 ‘78.5’ 입력

8. 버튼 클릭

9. 위의 표를 참조하여 ‘콘크리트’의 재질 정보 입력

10. 버튼 클릭

11. 버튼 클릭

| 폐합단면 정의 |


| 합성단면 재질 정의 |

03. 단면정의

3. Generate Composite Section

Composite Section을 구성할 Part의 개수를 입력하고 합성단면의 환산단면특성치를 구하기 위한 Base Material을

설정합니다. 여러 가지 재질을 합성하여 만든 단면이므로 기준이 되는 재질을 Base Material에서 정의하여 환산단

면특성치를 계산합니다. 또한 Base Material에 정의된 정보는 환산단면특성치 뿐만 아니라 중립축의 결정에서

Base Material을 가지는 부재를 중심으로 결정하기 때문에 응력검토에도 영향을 미칩니다.

3. Generate Composite Section

Main Menu에서 Model > Section > Composite Section > Generate에서 p

1. Name 입력란에 ‘Composite Box’ 입력

2. N(Parts) [1<N<4] 입력란에 ‘2’ 입력

3. Base Material 선택목록에서 ‘1: SM490’ 선택

4. 버튼 클릭

| 합성단면 기본정보 정의 |


03. 단면정의


각 Part 별 단면 Type 및 단면이름을 정의합니다.


Main Menu에서 Model > Section > Composite Section > Add Part

1. Composite Section 선택목록에서 ‘Composite Box’ 확인

2. Part ID 선택목록에서 ‘1’ 확인

3. Part Name 입력란에 ‘Box입력

4. Part Type 에서 ‘Line’ 선택

5. Part Material 선택목록에서 ‘1: SM490’ 선택

6. Select 클릭 후, ‘양쪽 강박스거더 및 세로보’를 선택

7. 버튼 클릭

8. Part ID 선택목록에서 ‘2’ 선택

9. Part Name 입력란에 ‘Slab’ 입력

10. Part Type 에서 ‘Plane’ 선택

11. Part Material 선택목록에서 ‘2: C24’ 선택

12. Select 클릭 후, ‘콘크리트 슬라브’를 선택

13. 버튼 클릭


| Part 별 단면 Type 및 단면이름 정의 |

04. 단면특성치 계산 및 결과물 출력


Composite Section의 정의가 완료되면 Mesh Size에 따라서 단면특성치를 계산합니다. Mesh Size는 조밀하게 나

눌수록 정확한 값으로 수렴합니다. 본 예제는 Mesh Size로 ‘1’을 적용하겠습니다.


Main Menu에서 Property > Calculate Composite Property

1. Mesh Size 입력란에 ‘1’ 입력

2 S l t 클릭 후 ‘전체 단면’ 선택2. Select 클릭 후, ‘전체 단면’ 선택

3. 버튼 클릭

| 단면특성치 계산 |


2. 단면특성치 확인


전 단계에서 계산한 Composite Section의 Part 별, 혹은 전체 단면에 대한 단면 특성치를 확인할 수 있습니다.

2. 단면특성치 확인

Main Menu에서 Property > Composite Property Table

1. Composite Section Property Table 대화상자의 Parts 선택목록에서 ‘Box’ 확인

2. 단면 특성치 확인

3. Parts 선택목록에서 ‘Slab’ 와 ‘Box+Slab’ 를 차례로 선택하여 단면특성치 확인

단면 특성

• 면적 (Composite Section인 경우 환산단면적)

• 유효전단면적 (Sax , Say )

• 단면 2차 모멘트 (Ixx, Iyy, Ixy)

비틀림 상수 (J T i C t t)• 비틀림 상수 (J, Torsion Constant)

• 도심으로부터 각 방향 최외단까지의 거리

( (+)Cx, (-)Cx, (+)Cy, (-)Cy )

| 단면특성치 확인 |




계산된 Composite Section의 특성을 파일로 출력합니다.


Main Menu에서 Model > Section > Composite Section > Export

1. File Name 입력란 우측의 버튼 클릭

2. 파일 이름 입력란에 ‘Composite’ 입력

버 릭3. 버튼 클릭

4. Select 클릭 후, ‘전체 단면’ 선택

5. 버튼 클릭

| Composite Section 파일 생성 |




Export 한 sec 파일을 midas Civil의 Composite-General 기능으로 불러옵니다. 이 때 SPC에서 계산한 단면특성치

를 Civil에 적용시킬 수 있으며 응력포인트도 계산합니다. 응력포인트와 Cym, Cyp, Czm, Czp는 SPC에서 적용시킨

Base Material의 단면을 기준으로 출력합니다. 본 예제는 강재(SM490)을 Base Material로 입력시켰기 때문에 강박

스거더를 중심으로 응력포인트와 Cym, Cyp, Czm, Czp를 출력합니다.

midas Civil을 이용하여 sec파일을 불러옵니다


midas Civil을 이용하여 sec파일을 불러옵니다.

Main Menu에서 Model > Properties > Section...

1. 버튼 클릭

2. Section Data 대화상자에서 ‘Composite’ 탭 선택

3. Section Type 선택목록에서 ‘Composite-General’ 선택

4. Name 입력란에 ‘Composite Box’ 입력

5. 버튼 클릭

6. 앞서 생성한 ‘Composite.sec’ 파일 선택

7. 버튼 클릭

8. 버튼 클릭

9. Section Properties 확인 후, 버튼 클릭


| midas Civil에서의 단면 Import |



SPC의 Composite Section 기능을 이용하여 계산한 단면특성치 중에서 Area, Iyy, Izz는 일반식으로도 구할 수 있

기 때문에 문제를 일으키는 경우가 없으나, Asy, Asz, Ixx는 FEM방식으로 구하기 때문에 비교 검증이 필요합니다.

FEM 방식의 경우, 단면이 떨어져 있으면 일체거동을 하지 못해 계산을 잘못할 수 있습니다. 예를 들어 본 예제의

Part1은 전단과 비틀림에 대한 영향이 크지 않아 큰 문제가 되지는 않지만, 서로 떨어진 강박스 거더와 세로보로

구성되어 있어 잘못 계산될 수 있습니다. 이러한 경우에는 검증을 통해 사용자가 단면특성치를 수정함으로써 해

석에 대한 유연성을 확보해야 합니다


석에 대한 유연성을 확보해야 합니다.

SPC의 Composite Section 단면특성치의 결과에 대한 신뢰성 확보를 위해 범용프로그램 A와 비교한 결과, 상대오

차 3% 정도의 범위 내로 거의 일치한 결과를 확인할 수 있습니다.

midas Civil SPC 범용프로그램 A 오차율 (%)

Asy 3.08034 3.08713 0.2

Asz 0.07336 0.07265 1.0

Ixx 0.07831 0.07576 3.0

| Composite Section 비교 모델형상 |


1. Load Cases for Pre-Composite Section

05. SPC Composite Section 기능의 활용

1. Load Cases for Pre Composite Section

Composite Section을 완성계 해석에 적용할 경우에 사용하는 Load Cases for Pre-Composite Section 기능에 대

해 알아보겠습니다.

완성계 해석에서는 SPC의 Composite Section 기능에서 계산한 Total 단면특성치를 적용합니다. 그러나 합성 전

에 작용하는 하중의 경우, Section Data 대화상자의 Before Composite Section 선택목록에서 선택한 Part 1의 단

면특성치를 적용해야 합니다. 이와 같이 합성 전, 후의 단면 성질의 변화를 고려한 해석을 위해 Load Cases for

Pre-Composite Section에서 합성 전 하중조건을 선택합니다

M i M 에서 M d l P ti S ti

Pre Composite Section에서 합성 전 하중조건을 선택합니다.

Main Menu에서 File > Open Project

1. mcb파일 저장폴더에서 ‘Composite Section’ 파일 선택

2. 버튼 클릭

Main Menu에서 Model > Properties > Section...

1. Section 목록에서 ‘Composite Box’ 선택 후, 버튼 클릭

2. Before Composite Section 선택목록에서 ‘Part 1’ 확인

3. 버튼 클릭

4. 버튼 클릭

M i M 에서 L d C it S ti A l i D t L d C f P C it S tiMain Menu에서 Load> Composite Section Analysis Data > Load Cases for Pre-Composite Section

1. Load Cases 목록에서 미리 정의한 ‘1차고정하중’ 선택 후, 버튼 클릭

2. 버튼 클릭


| 합성 전 단면 및 하중조건 선택 |




SPC에서 생성한 합성단면의 시공단계해석에 대해 알아보겠습니다. 비정형합성단면을 시공단계합성단면

(Composite Section for Construction Stage)에서 사용하는 경우, 각 Part 별 재질은 SPC에서 입력한 재질과 관계

없이 별도의 대화창에서 입력할 수 있습니다. 그리고 단면특성치는 재질에 따라 midas Civil에서 재계산하여 SPC

에서 계산한 결과와 달라질수 있으며, SPC에서 계산한 단면특성치는 별도로 확인하여 활용할 수 있습니다. 따라

서 SPC에서 합성단면을 만들어서 시공단계해석에 적용할 경우 다음 사항을 유의하여 활용해야 합니다.

SPC에서 계산한 단면특성치와 해석에서 사용하는 단면특성치는 2가지를 모두 만족할 경우 동일하게 적용합니다.

• SPC에서 단면특성치 계산시 입력한 Part 별 재질과 midas Civil에서 입력한 각 Part 별 재질이 동일한 경우

• 텐던 및 철근이 없고 콘크리트의 압축강도 발현도 고려하지 않는 경우

(텐던이 있어도 시공단계 해석 컨트롤에서 환산단면 적용을 하지 않는 경우)

위의 조건을 만족하지 않는 경우에 대해 알아보겠습니다. 만일 SPC에서 입력한 Part 별 재질과 midas Civil에서 입

력한 Part 별 재질이 달라 Part의 탄성계수비 등이 달라지면 midas Civil에서 입력한 재질로 계산한 탄성계수비를

Main Menu에서 Load > Construction Stage Analysis Data

> Composite Section for Construction Stage

력한 Part 별 재질이 달라 Part의 탄성계수비 등이 달라지면, midas Civil에서 입력한 재질로 계산한 탄성계수비를

가지고 단면특성치를 계산하여 해석에 사용합니다. 그리고 텐던을 고려하거나 압축강도 발현을 고려하면, 시공단

계 중 단면특성치가 계속해서 바뀌기 때문에 SPC에서 계산한 단면특성을 그대로 사용하지 않습니다.

합성단면의 시공단계 정의 및 단면 특성치 확인 방법에 대해 알아보겠습니다.

> Composite Section for Construction Stage

1. ‘ID : 1’ 클릭 후 버튼 클릭

2. Active Stage : 합성단면이 정의된 요소가 활성화 될 시공단계를 선택합니다.

3. Section : 단면을 선택합니다.

4. Composite Type : 합성단면의 형태를 선택합니다. Section에서 선택한 단면정보를 사용하지 않거나 임

의의 단면을 사용하는 경우 ‘User’를 선택합니다.

5 Material Type : Element를 선택하는 경우 요소에 정의된 재질정보를 사용하며 Material을 선택하는 경5. Material Type : Element를 선택하는 경우 요소에 정의된 재질정보를 사용하며, Material을 선택하는 경

우 요소에 정의된 재질정보에 상관없이 여기서 선택한 재질정보가 해석에 사용됩니다.

6. Composite Stage : Part가 활성화 되는 시공단계를 선택합니다.

7. Stiff : 각 Part의 단면 강성

8. Stiff. Scale : 단면특성치에 대한 증감계수

9. Comp. Stiff : 해당 부분까지 합성된 단면 강성


| 합성단면의 시공단계 정의 및 단면 특성치 확인 |


합성단면의 Part 별 시공단계를 정의하면 시공단계 선택 시 해당하는 Part가 차례로 활성화되는 것을 확인할 수

1. Icon 메뉴에서 ‘Stage’ 탭 선택

2. 시공단계 선택 목록에서 ‘CS1’ 선택

3. 시공단계 선택 목록에서 ‘CS2’ 선택

있습니다. 따라서 CS1 시공단계에서는 Part 1 부분인 Steel Girder만이 활성화 되고, CS2 단계에서는 Concrete

Slab도 활성화 되어 전체단면이 활성화 되는 것을 확인할 수 있습니다.


| 시공단계에 따른 Part의 활성화 |

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